(57)【要約】      （修正有）【課題】磁気共鳴信号の検出感度を向上させる装置を提供する。【解決手段】受信機の入力インピーダンスが、プローブのインピーダンスを超える値に設定してあることを特徴とする。サンプルコイルに同調・整合回路を構成するプローブを介して高周波電力を送る送信機と、サンプルコイルからの誘導起電力を、プローブを介して受信する受信機とからなり、受信機の入力インピーダンスが、プローブのインピーダンスを超える値に設定してある送受信回路を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルコイルに同調・整合回路を構成するプローブを介して高周波電力を送る送信機と、前記サンプルコイルからの誘導起電力を、前記プローブを介して受信する受信機とからなる核磁気共鳴装置であって、前記受信機の入力インピーダンスが、前記プローブのインピーダンスを超える値に設定してあることを特徴とする核磁気共鳴装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンプルコイルに同調・整合回路を構成するプローブを介して高周波電力を送る送信機と、前記サンプルコイルからの誘導起電力を、前記プローブを介して受信する受信機とからなる核磁気共鳴装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、磁気共鳴現象を観測するためには、パルス変調された高周波を送信機から測定対象近傍に設置したサンプルコイルによって測定対象物に照射し、照射後に現れる共鳴信号を同一のサンプルコイルによって受信し、受信機で増幅および検波が行われる。
このとき、送信機からのパルス変調された高周波が受信機に伝わらないようにするため、またサンプルコイルによって受信された共鳴信号が送信機に伝わらないようにするために図１のようにデュプレクサが用いられている。
送信機は共鳴条件を満たす高周波をパルス変調するとともに、共鳴現象を起こさせるのに十分な電力となるように増幅を行なう。この高周波パルス電力はデュプレクサによって同調・整合回路とサンプルコイルから成るプローブに効率よく伝えられ、サンプルコイルに高周波振動磁場を発生させ、測定対象物中のスピンに共鳴現象を起こさせる。プローブ中の同調回路はサンプルコイルと共振回路を構成し、共鳴現象によってサンプルコイルに発生する高周波振動磁場を増大させる。また整合回路は送信機の出力インピーダンスとプローブの入力インピーダンスを整合することによって、送信機からの高周波パルス電力を最も効率よくサンプルコイルに伝達させる。また、高周波パルス後にサンプルコイルに誘起された磁気共鳴信号は同調・整合回路を経て、デュプレクサによって受信機に送られる。受信機によって受信・検波などを行い共鳴現象を観測する。
非特許文献1に示すように、磁気共鳴信号は試料近傍に設置したコイルに誘起されるが、従来、その信号を増幅するために、入力インピーダンスが５０Ωに整合された前置増幅器が用いられてきた。
このため、受信信号の電力伝達効率は最大となるが、電圧伝達効率は半減し、感度が悪いという問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
磁気共鳴信号の検出感度を向上させる装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明１の核磁気共鳴装置は、受信機の入力インピーダンスが、前記プローブのインピーダンスを超える値に設定してあることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
磁気共鳴信号は試料近傍に設置したコイルに誘起されるが、従来、その信号を増幅するために、入力インピーダンスが５０Ωに整合された前置増幅器が用いられてきた。
しかし、従来の入力インピーダンスが５０Ωの前置増幅器を、５０Ωより高い入力インピーダンスを持った前置増幅器に置き換えるだけで、信号検出感度を向上させることが出来ることを見出した。
また、高い入力インピーダンスを持った前置増幅器を用いることにより、整合および共鳴条件の制限を受けることなくサンプルコイルを設計することができ、検出コイルの巻き数を増やし、インダクタンスが大きいコイルを用いることで更なる検出感度の向上が行えることを見出したことにより本発明を完成した。
発明1では、高い信号強度を得られるのみならず、受信のときにはインピーダンス整合を取らなくても良いため、回路設計の自由度が増える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】従来の磁気共鳴検出機器の構成を示すフロー。
【図２】プローブの構成を示すフロー。
【図３】入力インピーダンスＲＩＮ，電圧利得２０倍の受信機の例を示す回路図。
【図４】入力インピーダンスによる信号強度の違いを示すグラフ。
【図５】サンプルコイルとして送信コイルと受信コイルを分けたプローブ。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
予測できる態様
１．核磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）は原理的にはＮＭＲ分光計と同じ核磁気共鳴現象を観測している。このため、本発明は入力インピーダンスが５０Ωの前置増幅器を使用し、磁気共鳴現象を観測している機器であれば、ＮＭＲ分光計に限らず、核磁気共鳴画像法ＭＲＩにも容易に適用できる。
２．高い入力インピーダンスを持った前置増幅器を用いることにより、整合および共鳴条件の制限を受けることなくサンプルコイルを設計することができるようになる。サンプルコイルを図２のように送信と受信の兼用とするのではなく、図５のように送信コイル、受信コイルと分け、送信コイルは５０Ωにインピーダンス整合させたまま、受信コイルの巻き数を増やし、インダクタンスが大きいコイルを用いることで更なる検出感度の向上が行える。
なお、入力インピーダンスが高い増幅器であればオペアンプに限らず、ＦＥＴを用いた増幅回路においても同様の効果が得られる。
【実施例１】
【０００８】
磁気共鳴検出装置
通常、磁気共鳴現象を観測するためには、パルス変調された高周波を送信機から測定対象近傍に設置したサンプルコイルによって測定対象物に照射し、照射後に現れる共鳴信号を同一のサンプルコイルによって受信し、受信機で増幅および検波が行われる。
このとき、送信機からのパルス変調された高周波が受信機に伝わらないようにするため、またサンプルコイルによって受信された共鳴信号が送信機に伝わらないようにするために図１のようにデュプレクサが用いられている。
【０００９】
送信時に、送信機から発せられたパルス変調された高周波電力を最大限効率よくサンプルコイルに伝えるためには、送信機の出力インピーダンスとプローブのインピーダンスが等しい必要がある。送信機の出力インピーダンスは５０Ωに整合されていることが多いため、送信機とサンプルコイルの間には同調・整合回路が設けられプローブのインピーダンスも５０Ωに整合されていることが多い。
受信時にも同様にサンプルコイルに誘起された電力が最大限効率よく受信機に伝わるように、受信機の入力インピーダンスもプローブのインピーダンスと等しくなるよう、通常５０Ωに整合がとられている。
しかし、受信時の共鳴信号の検出効率に着目すると、共鳴信号は核磁化によってサンプルコイルに誘起される誘導起電力である。このことより、コイルから受信機へは電力ではなく電圧が効率よく伝わればよいことを見出した。電圧を効率よく受信機に伝えるためには受信機の入力インピーダンスを大きくすれば良い。インピーダンス整合がとられている場合、電圧の伝達効率は１／２になっているので、受信機の入力インピーダンスを５０Ωより十分大きくすることによって最大２倍の信号の検出効率の向上が見込まれる。
【００１０】
入力インピーダンスの違いが磁気共鳴信号強度に与える影響を調べるために９．４Ｔの磁場中でのアルミニウム箔を試料とした核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号の測定を行った。直径０．２ｍｍのポリウレタン銅線を用いて、長さ１ｃｍ、直径６ｍｍ、５回巻きのサンプルコイルをつくり、それに幅５ｍｍ、長さ１ｃｍの市販のアルミニウム箔片を入れた。
プローブは図２のようにサンプルコイルに対して並列に同調用可変コンデンサを接続し、それらに対して直列に整合用可変コンデンサを接続したものを用いた。
整合用可変コンデンサによって送信機の出力インピーダンスとプローブの入力インピーダンスが整合し、送信機からの高周波パルス電力が最も効率よくサンプルコイルに伝わる。同調用コンデンサはサンプルコイルと共振回路を構成し、高周波パルス電力によってサンプルコイルに発生する高周波磁場を増大させる。
受信機はオペアンプを用いて図３のような電圧利得２０倍の増幅回路を作製し、抵抗ＲＩＮの値を変えることにより受信機の入力インピーダンスを変化させた。
オペアンプは十分高い入力インピーダンス・増幅度および高周波特性を持つ素子を使用し、±５Ｖの直流電源によって動作させた。電源の安定度の改善、回路の発振を防止するため電源の入力端子にそれぞれ6.8ｕＦと0.1ｕＦのコンデンサを接続した。オペアンプの出力を抵抗RFとRGによって分圧した信号を反転入力端子に接続することによって(RF+RG)/RG＝２０倍の電圧利得を得ている。
受信機の入力インピーダンスは非反転端子に接続された抵抗ＲＩＮで決定され、出力インピーダンスはオペアンプの出力端子に接続された５０Ωの抵抗によって決定される。
よって、抵抗RINを交換することで、表1に示すように入力インピーダンスを調整した。
このような装置を用いてアルミニウム核を対象とした核磁気共鳴信号の測定を行った。９．４Ｔの磁場におけるアルミニウム核の共鳴周波数１０４．２８ＭＨｚの高周波を２マイクロ秒の幅を持つ矩形波でパルス変調を行い、およそ３０Ｗに増幅したものを送信機から試料に照射した。照射後に現れる自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号を観測し、そのフーリエ変換を行うことによってＮＭＲスペクトルを得た。
図４に受信機の入力インピーダンスの違いによるＮＭＲスペクトルの信号強度の変化を示す。ノイズの大きさはほとんど変わらないが、信号のピークの高さは入力インピーダンスが５０Ωの時と比べて、７５０Ωではおよそ１．５倍になっていることが分かる。このことから、受信機の入力インピーダンスを大きくすることによって、磁気共鳴信号の検出感度を向上させることが分かる。
信号強度は非常に多くの要素により決まっている。まず、プローブとする核のスピンの大きさ、磁気回転比、個数は大きいほど有利である。次に、試料の性質に依存し、観測されるスペクトル線幅が狭いほど信号強度は有利である。測定磁場の大きさ・均一度、試料の温度・状態などにも影響を受ける。また、測定機器の送信機からの高周波電力、受信機の増幅度・雑音指数・不感時間（デッドタイム）、プローブの同調の深さを示すＱ値などにも依存する。
これらの条件に合わせて、信号強度のみならず、他の外乱を最も小さくなるようなバランスで前記抵抗ＲＩＮを調整してもちいるのが望ましい。
【表１】
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【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】巨瀬勝美著「ＮＭＲイメージング」共立出版、２００４年、Ｐ１１２
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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